核物理守望者

2015年11月4日，2015年度何梁何利基金颁奖大会在京举行。北京大学物理学院叶沿林教授喜获2015年度“何梁何利基金科学与技术进步奖”。从1978年进入北京大学物理系学习开始，叶沿林在核物理研究的道路上攀行了30多年。30年中，他经历了“出国潮”“下海潮”以及国家实施“科教兴国”战略后的发展，很多人来了又去，而他选择坚守在核物理学科，特别在“科教兴国”战略实施之后，带领队伍一步步走向国际发展前列，并促进了中国核物理科研事业的成长与发展。

白手起家挑起国际任务

1995年，党中央、国务院提出“科教兴国”战略，逐步扭转了改革开放以来，科教工作与科教工作者长期不被重视的局面，祖国的科教事业也迎来了快速发展。正是从这时开始，我国的核物理事业有了起色，叶沿林是见证这一过程的人，而他参与的第一个重要任务就是，带领北大研究组，成为大型物理实验装置“紧凑型缪子螺线管（CMS）”的合作组成员，承担国际合作任务。

上世纪60年代，粒子物理标准模型被提出，在科学发展史上具有里程碑的意义。到1983年，在欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器（SPS）上发现了标准模型预言的W和Z0玻色子，使得电弱统一的规范场理论得到验证，大大提升了人们对标准模型的认可度。但标准模型中还有个最为核心的问题，就是质量的来源问题。满足规范对称性的体系，要求各种基本粒子的质量为零。需要通过与一种理论预言的希格斯（Higgs）场发生作用，同时对称性自发破缺，才能使现实物理世界里各种粒子获得质量。显然，Higgs机制在这里具有决定性的作用，而能否在实验上寻找到Higgs玻色子，也成为标准模型能否成立的关键。

上世纪90年代中后期，日内瓦的欧洲核子中心以发现Higgs粒子为首要目标，开始全力建造大型强子对撞机，其中一个大型的物理实验装置是“紧凑型缪子螺线管”。1996年，北大组得到批准正式成为CMS合作组成员，并提出承担前向阻性版探测器（FW-RPC）的研制、批量制作和安装测试。RPC用于关键的缪子触发，后来在2012年发现Higgs粒子的主要5种探测路线中，有4种路线依靠缪子和电子的探测。FW-RPC用在小角度，需要承受极高的计数率并排除大量的本底，大面积探测的时间分辨率也要低于1个纳秒。按照CMS季刊1996年1期上“发言人的信”的表述，缪子探测是CMS的“两面旗帜”之一，而“FW-RPC的设计、投资和建设在CMS一直具有很高的优先度”。

以当时北大组的基础和能力，要承担FW-RPC的任务风险比较大。CMS方面开始很不放心，多次现场考察。叶沿林回忆：“当时想拿下这个任务，着实费了不少精力。CMS的人来考察，看到我们这里设备不足，人员不够，心里难免‘打鼓’。”果然，CMS方面写信说：“由于要建造的这种探测器可能非常精巧并且所需技术尚未成熟，北京大学组承担这项任务不大现实。”

当时，叶沿林认为，尽管项目组设备基础较差，但技术能力并不弱，在学校的强有力支持下，他还是带领研究组积极申请承担FW-RPC任务。随后，他们参加LHC实验装置建设又得到了国家自然科学基金委和科技部、中科院的大力支持，最终签署了投资支持CMS和ATLAS实验合作的协议。于是，叶沿林研究组承担起我国首次正式投资参加国际高能物理大科学合作的任务。

从1999年起承担首批重大项目，到2008年初结题，北大组和中科院高能所研究组一起，历时8年，出色地完成了任务，最终的成果也得到了CMS的充分认可，北大组完成的FW-RPC在2012年LHC发现Higgs玻色子的实验中发挥了重要作用。在此期间，叶沿林一直担任北大项目组的负责人，任务就是要做出CMS的部分FW-RPC（RE1/2和RE1/3）。回忆这几乎算是白手起家奋斗的8年，叶沿林说：“也许这算不上是多大的创造性工作，但能够拿到这个项目，经历一些我们没有经历过的攻关过程，最后拿出在国际最先进装置上发挥重要作用的成果，这就是一种成长”。

在“973”课题中蜕变

叶沿林曾说，北大核物理学科在近十几年得到了长足的发展，这源于三轮“973”课题的持续研究带来的团队实力提升。自2000年承担“973”课题之后，叶沿林负责的北大核物理实验组，便长期坚持衰变延迟粒子发射和直接核反应两条实验路线，在国内外大装置上持续开展有特色的实验研究。

据叶沿林介绍，近20多年来，人们进入到不稳定核的广阔未知区域，发现了一系列新现象，如晕结构、矮巨共振、新幻数、壳演化、集团和分子结构等。研究这些现象和规律的学问，称为不稳定核物理，或放射性核束（RIB）物理。由于涉及一系列基础性重大科学问题和潜在的应用前景，世界上所有科技大国均部署了新一代RIB大科学装置的建设，投入竞争。核物理基础研究的大科学性质，决定了高校中的实验组必须能够走出去，在世界范围利用各种大装置开展适合自己目标的研究。

北大课题组用7年时间研制和升级了北大中子球装置，这是国际上三台高水平的同类装置之一，在国内开辟了衰变延迟中子发射的研究方向，并取得了一批有重要国际影响的物理成果，成为我国高校在核物理大科学装置上建立实验终端的典范。近几年，他们又成功研制了前向多中子关联谱仪和高位置分辨带电粒子望远镜阵列等，并在兰州重离子加速器装置上使用，特别是开展了中子滴线附近轻原子核集团结构研究。

如今，叶沿林团队已经在进行第三个“973”课题的研究，这也是不稳定核研究的第三轮“973”研究。经过十几年来的积累和攻关，我国的不稳定核物理研究取得长足进步，已经进入国际上主流竞争的行列，未来几年面临难得的发展机遇和前景。在冲击世界前沿的“国家队”中，叶沿林带领的北大核物理研究团队无疑是其中的重要一支。

近年来，团队发展了独特的零度测量技术，针对典型的丰中子核12Be开展了系统的测量和研究，同时测定了转动惯量（激发能—自旋依赖关系）、集团衰变分支宽度、特征跃迁模式三个物理量，尤其是首次在不稳定核中测定增强的单极跃迁强度，与GTCM模型的理论计算密切配合，清楚标识了非稳定核12Be中近阈激发态的分子集团结构，澄清了十几年来的争论，结果发表在国际顶级物理期刊上，引起热烈反响。

难得的是，这是一项完全由国内的研究队伍（北京大学和中科院近代物理所的核物理实验组）利用国内核物理大科学装置（兰州重离子加速器国家实验室RIBLL放射性束流线）完成的实验工作。由于核物理实验探测设备几乎全部依靠自主研发，这项开拓性的研究工作经过了较长时间的积累，目前已经形成了扎实的自主研究的基础，后续的系列研究工作正在迅速展开。

到国外一流的实验室开展以中方为主的实验，是对学术研究和设备研制能力的挑战。2002年，叶沿林团队在日本理化所提出晕核6He的直接核反应实验。“跟全世界的团队去竞争，一轮一轮地提实验计划、答辩，这种经历很难得。”最终，叶沿林团队成功夺标，自主实施了这一实验。这也成为首次由中国课题组在国际一流装置上提出、经过激烈竞争获得批准并自主完成的核物理实验。

尽管夺标成功，但实验难度依旧是摆在团队面前的一道难关。这些大装置上提供的束流价值昂贵，时间节点控制严格，稍有闪失就不可补救，风险很大。而当地实验室的合作伙伴一般是规范地参与，关键问题都得自己现场解决。“当时团队很缺乏经验，实验中发生了不少突发问题，好在束流时间过半后迅速做出了正确判断，及时改变了靶体周围布局，才使得实验基本成功。”叶沿林说。

2009年，叶沿林团队再次到日本理化所提出和自主开展丰中子滴线核8He的敲出反应实验，这时，队伍的经验和能力都已经大大提升，实验取得圆满成功，特别是关于7He共振态和8He中集团结构的实验结果在国际上发表后，引起热烈反响，提高了团队的国际声誉和地位。

经过两次实验合作，北大组和日本理化所在科研合作、人员交往、人才培养等方面，建立起非常特殊和规范的关系，包括北大每年派出研究生在理化所长期学习工作，建立了高年级本科生实习基地Nishina School等。从设备到技术再到人才，叶沿林团队在每一步前行中都完成了一次蜕变。

见证核物理学科崛起

叶沿林是我国恢复高考后的第一届大学生，凭借中学时对物理的喜爱，他报考了北大物理系，并最终以优异成绩被这个当时我国物理学科的最高殿堂录取。本科学习结束后，叶沿林获得名额极少的公派留学名额，来到法国格勒洛布尔大学核科学所继续深造。4年后，他获得博士学位，并于1986年至1988年在加拿大TRIUMF国家实验室开展博士后研究工作。

国外6年，叶沿林在国际顶级国家实验室得到历练与积淀，在科研的组织架构及国际视野上得到很大提升与丰富。1989年，叶沿林回到培养他的北京大学技术物理系就职。在回国一事上，他没有丝毫犹豫，他说：“当初出国就没打算留在国外，回国是很自然而然的事情，想做事还是要回到祖国。”

叶沿林回国时正赶上市场经济的大潮。1993年，叶沿林评教授时，北大正教授的月工资仅有390元。“那时候，年轻的老师走了不少。”在“造原子弹的不如卖茶叶蛋”的世风下，年轻教师不是出国，就是下海，真正坚守在教学与科研一线的人寥寥无几，叶沿林就是其中一个。在极度缺乏人才的那段时间里，叶沿林不得不自己干各种“杂活”，这也让他迅速成长起来。1996年，41岁的叶沿林被推上了北大技术物理系主任的位子，而当时的主要任务是“谋生存”，稳定教师队伍。

1995年，党中央、国务院提出“科教兴国”战略;1998年，北京大学百年校庆，确定了建设世界一流大学的目标，教研工作开始走上有序发展的上升通道，叶沿林带领的北大核物理学科也是在此后得到了长足的发展。“在学校的支持下，核物理学科抓住机遇，从国外吸引了一批优秀学者加盟或回归，包括钱思进、孟杰、班勇、许甫荣、冒亚军、郭秋菊等，他们现在都成了学科或方向的带头人。”叶沿林说。

进入21世纪，我国能源需求和发展的格局发生了很大变化。由于环境保护的要求，具有绿色能源性质的核能的重要性引起社会极大的关注。国家规划我国的核能将有一个长期快速的发展，由此也推动了我国核科学技术的全面振兴。2005年后，全国出现了办核学院的风潮。北大决心发挥自己的优势，在一流大学的框架下完善学科，注重提高质量和水平。

2007年是北大核学科发展的一个重要年份。在核科技行业一批老先生的呼吁下，2006年科技部在发布的指南中列入了核物理与核技术国家重点实验室的条目。叶沿林在当年接任“重离子物理教育部重点实验室”主任，马上就面临竞争国家重点实验室的难得机遇。按照国家重点实验室的要求，北大将原有的核科技队伍进行重组，以“放射性核束物理”“强子物理”“先进粒子加速器技术”“核技术应用”四个方向的构架，申报国家重点实验室。经过多轮评审答辩，在三个候选实验室中胜出。

2007年4月，科技部正式下达的通知中列入了依托北大的核物理与核技术国家重点实验室筹建计划。随后科技部组织了建设计划评审和现场考察等。经过两年的建设，2009年实验室正式通过建设期验收，成为正式的国家重点实验室，叶沿林受聘担任第一任实验室主任。

随后，北大还建立了“核科学与技术研究院”，由叶沿林担任常务副院长。核研院的核心任务是与中国原子能科学研究院共同推动提出和建设大科学装置“北京ISOL”，目前已经完成初步概念设计，经过了两次国际顾问委员会评审，在国际上反响热烈。“该装置将为未来基础前沿热点的丰中子不稳定核研究以及涉及国家重大需求的核能系统材料研究提供支撑，预计在‘十三五’期间正式向国家提出建议。”叶沿林说。

“这十几年来，核物理学科的进步是巨大的。”叶沿林介绍，核物理既是基础科学，又是跟能源、国防、医疗密切相关的科学，是介于基础和实用两者之间的跨界学科。在国际合作上，各国既开放交流，又相互提防。“以前我们在技术上有什么困难，国外合作方都很愿意帮助我们。现在我国的核物理实力得到极大提升，在国际合作上，外方也不再无条件提供帮助，而是要相互帮助，实现平衡。最核心的技术都需要我们自己来做。”与国外合作方的对等关系，也恰恰验证了我国核物理科学的崛起，而叶沿林正是其中一位重要的见证者与参与者。

护航年轻一代

人才培养是学科发展的基础，自从回到北大，叶沿林除了科研以外最重要的工作就是培养后继人才。对于学生，他的要求十分严格。研究生入学第一年除了上课外，还要看大量文献，同时，叶沿林要求学生每年都必须给自己写个规划，理清当年需要完成的工作，他来做点评。他说：“第一年很重要，要养成好的习惯，看文献则能形成视野，这都是我最看重的。”攻读研究生的第二年、第三年，叶沿林就开始推着学生独立自主地做科研了。学生需要自己提出课题方向，高年级的学生还要带低年级的学生，大家相互学习，形成团队，老师从更高的层面和视角指导帮助。

“在这个全球化、信息化的时代，‘终身学习’已经不知不觉成了‘新常态’，人人都是学生，天天都在学习，你们每个人的手上都时刻掌控着知识和信息的宝库。”在2015年北大物理学院毕业典礼上，叶沿林作为教师代表这样向毕业的同学们讲到。对于人才的渴望，是叶沿林作为一名教师深入骨髓的基因。在演讲中，他向同学们发问：“大家学了几年物理教科书，上边有许多让我们顶礼膜拜的定律、公式、方程、模型、实验方法等等，是人类智慧的伟大创造，往往以人命名;几十年后，是不是该有中国人的名字陆续填充上去呢？”

叶沿林说，厚实的创新沃土，实实在在需要成千上万优秀的人才去一层又一层地填充。这就如同无论是学生的培养，还是团队的建设都需要过程一样。“一开始我刚带学生时，实验室来了大量新设备，连我都要从头学起，带着学生一起做。”叶沿林说，完成实验室的建设是一个循环，高年级带低年级又是一个循环，一个实验室的自循环一般需要四五年才能完成一轮。

如今，一届又一届的学生入学、毕业，人才源源不断地被培养出来，不断为学科领域的研究注入新的血液，这种景象与叶沿林刚刚出任物理系主任时的情景形成了鲜明对比。这让叶沿林很欣慰，中国的核物理科学发展正迎来一个最好的时代，而他愿意为年轻的一代继续护航。